ما هي ركيزة الألومنيوم؟
أن ركيزة الألومنيوم هي لوحة مكسوة بالنحاس ذات قلب معدني مع تبديد جيد للحرارة. تحتوي اللوحة النموذجية أحادية الجانب على ثلاث طبقات: طبقة دائرة (رقائق نحاسية)، وطبقة عازلة (عازلة)، وطبقة قاعدة معدنية. للاستخدامات المتطورة، هناك أيضًا ألواح ذات وجهين مع هذه المكدس: طبقة دارة وطبقة عازلة وطبقة عازلة وطبقة عازلة وطبقة ألومنيوم وطبقة عازلة وطبقة دائرة. تستخدم بعض الحالات الخاصة ألواح متعددة الطبقات مصنوعة عن طريق التصفيح العادي ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات بطبقات عازلة وقاعدة من الألومنيوم.
كيفية عمل ركيزة الألومنيوم
يتم تركيب أجزاء الطاقة على طبقة الدائرة. تنتقل الحرارة الناتجة عن الأجزاء بسرعة عبر الطبقة العازلة إلى القاعدة المعدنية. ثم تنتشر القاعدة المعدنية وتطلق الحرارة. هكذا يتم تبريد الأجزاء.
هيكل ركيزة الألومنيوم
اللوح النحاسي المكسو بالألومنيوم هو عبارة عن لوحة دوائر معدنية مصنوعة من رقائق نحاسية وطبقة عازلة موصلة للحرارة وقاعدة معدنية. الطبقات الثلاث النموذجية هي:
- طبقة الدائرة (CIRCUIT LAYER): مثل الطبقة المكسوة بالنحاس في ثنائي الفينيل متعدد الكلور العادي. يتراوح سمك النحاس من 1 أوقية إلى 10 أوقية (حوالي 35 ميكرومتر إلى 280 ميكرومتر). يتم حفر النحاس لتشكيل الدائرة المطبوعة. ولأن اللوحة غالباً ما يجب أن تحمل تيارات أعلى، يتم استخدام نحاس أكثر سمكاً.
- الطبقة العازلة (DIELECTRIC LAYLECTRIC LAYER): طبقة عازلة منخفضة المقاومة الحرارية وموصلة للحرارة. هذه هي التقنية الأساسية. وعادةً ما تكون عبارة عن بوليمر خاص مملوء بالسيراميك. وتتميز بمقاومة حرارية منخفضة، وخصائص لزوجة مرنة جيدة، ومقاومة للتقادم الحراري. ويمكنها تحمل الضغط الميكانيكي والحراري. تتيح هذه الطبقة للوح الجمع بين التوصيل الحراري الجيد والعزل الكهربائي العالي.
- الطبقة الأساسية (BASE LAYER): القاعدة المعدنية، عادةً ما تكون من الألومنيوم أو النحاس في بعض الأحيان (النحاس لديه توصيل حراري أفضل). تدعم القاعدة المعدنية اللوح. يجب أن تكون ذات موصلية حرارية عالية ومناسبة للحفر والتثقيب والقطع.
بالمقارنة مع مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية، تتمتع ركائز الألومنيوم بمزايا واضحة: فهي تناسب تركيب SMT لأجزاء الطاقة بدون مبدد حراري منفصل، كما أنها تقلص حجم المنتج، وتوفر تبريدًا ممتازًا، وتحافظ على عزل جيد وقوة ميكانيكية جيدة.
ميزات أداء ركائز الألومنيوم
- دعم تقنية التثبيت على السطح (SMT).
- انتشار حراري فعال للغاية في تصميم الدوائر الكهربائية.
- درجة حرارة تشغيل أقل، وكثافة طاقة وموثوقية أعلى، وعمر أطول.
- تقليص حجم المنتج وتقليل تكلفة الأجهزة والتجميع.
- استبدل الهش ركائز السيراميك مع متانة ميكانيكية أفضل.
قدرات التصنيع (مواصفات العملية النموذجية)
| البند | القدرة/المواصفات |
|---|---|
| أنواع اللوحات | ركيزة ألومنيوم، قاعدة نحاسية، قاعدة حديدية، قاعدة ألومنيوم، قاعدة نحاسية |
| تشطيب السطح | الذهب المغمور (ENIG), وقصدير الرذاذ، وقصدير الغمر، والفضة الكيميائية, OSP |
| الطبقات | أحادي الجانب، مزدوج الجانب، رباعي الطبقات |
| الحد الأقصى للحجم | 1185 مم × 480 مم |
| الحد الأدنى للحجم | 5 مم × 5 مم |
| الحد الأدنى للخط/المساحة | 0.1 مم |
| اعوجاج اللوح | ≤ 0.5% (لسمك 1.6 مم، مقاس 300 مم × 300 مم) |
| سمك معالجتها | 0.3 - 5.0 مم |
| سُمك النحاس | 35 ميكرومتر - 240 ميكرومتر |
| تشكيل التسامح | ± 0.15 مم |
| دقة محاذاة القطع على شكل V | ± 0.1 مم |
| الطاقة الإنتاجية | 7000 متر مربع/شهرياً |
| انحراف موضع الفتحة | ± 0.076 مم |
| أمثلة على تشكيل التسامح | مخطط موجه باستخدام الحاسب الآلي: ± 0.1 مم؛ مخطط المثقاب/القالب: ± 0.15 مم |
مصطلحات العملية وشروحها
- حفر جانبي: الحفر الذي يحدث في الجدار الجانبي تحت نمط المقاومة. يقاس الحفر الجانبي بعرض الحفر الجانبي. ويعتمد ذلك على نوع مادة الحفر والتركيب والعملية والمعدات.
- عامل الحفر: نسبة سُمك الموصل (لا يشمل الطلاء) إلى كمية الحفر الجانبي. عامل الحفر = V / X (V = سُمك الموصل، X = الحفر الجانبي). عامل الحفر الأعلى يعني حفر جانبي أقل. تحتاج الآثار الدقيقة عالية الكثافة إلى عامل حفر مرتفع.
- بناء الطلاء (توسيع الطلاء): أثناء الطلاء بالنقش، يمكن أن تكون الطبقة المعدنية أكثر سمكًا من المقاومة، مما يزيد من عرض الأثر. ويرتبط بناء الطلاء بسُمك المقاومة وسُمك الطلاء الكلي وينبغي التقليل من سمكه.
- بروز الطلاء (تراكب الطلاء): مجموع الطلاء المتراكم والحفر الجانبي. إذا لم يكن هناك بناء طلاء متراكم، فإن إسقاط الطلاء يساوي مقدار الحفر الجانبي.
- معدل الحفر: عمق المعدن المذاب بواسطة المُنشِّط لكل وحدة زمنية (عادةً ميكرومتر/دقيقة) أو الوقت اللازم لإزالة سُمك معين.
- قدرة النحاس على إذابة النحاس: في ظل معدل حفر معين، كمية النحاس التي يمكن أن يذيبها مذيب النحاس. وعادةً ما تُعطى بوحدة جم/لتر. كل مادة مذيبة للنحاس لها قدرة ثابتة على إذابة النحاس.
تعبئة وتغليف ركائز الألومنيوم (تغليف LED)
عبوات LED يمنح شريحة LED منصة لتحسين الأداء البصري والكهربائي والحراري. ويعزز التغليف الجيد من كفاءة مصابيح LED وتبديد الحرارة، مما يطيل من عمرها الافتراضي. يعتمد تصميم عبوة LED على خمسة عوامل أساسية: كفاءة الاستخراج البصري، والمقاومة الحرارية، وتبديد الطاقة، والموثوقية، وفعالية التكلفة (Lm/$).
كل العوامل مهمة. يؤثر الاستخراج البصري على التكلفة لكل لومن. تؤثر المقاومة الحرارية على الموثوقية والعمر الافتراضي. ويؤثر تبديد الطاقة على تطبيق العميل. يوازن التغليف الجيد بين هذه العوامل ويلبي احتياجات العملاء.
عادةً ما تستخدم ركائز الألومنيوم أحادية الطبقة أو مزدوجة الطبقة كمبددات حرارة. يتم توصيل رقاقة واحدة أو أكثر مباشرة على قاعدة الألومنيوم (أو النحاس). يتم ربط الأقطاب الكهربائية للرقاقة p وn بأسلاك مرتبطة بطبقة نحاسية رقيقة على سطح الركيزة. يعتمد عدد الرقاقات على اللوح على الطاقة المطلوبة؛ يمكن دمج الحزم لصنع مصابيح LED عالية الطاقة بقدرة 1 وات، 2 وات، 3 وات. وأخيرًا، يتم تشكيل مادة عالية الانكسار أو توزيعها فوق مصابيح LED وفقًا للتصميم البصري.
درجات معدن الألومنيوم الأساسي
إن سلاسل الألومنيوم الشائعة المستخدمة في الركائز هي السلسلة 1000 و5000 و6000:
- سلسلة 1000: أمثلة 1050، 1060، 1070. وهي عبارة عن ألومنيوم نقي تقريباً (≥ 99% Al). وهي سهلة الإنتاج ومنخفضة التكلفة. تستخدم على نطاق واسع في الصناعة العامة.
- سلسلة 5000: أمثلة 5052، 5005، 5083، 5A05. هذه هي سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم (Mg ~ 3-5%). تتميز بكثافة منخفضة وقوة شد عالية واستطالة جيدة. الوزن أقل بالنسبة لنفس المساحة. تستخدم في الطيران (خزانات الوقود) والاستخدام الصناعي العام.
- سلسلة 6000: مثال 6061. تحتوي هذه السلسلة على المغنيسيوم والسيليكون، وتجمع بين مزايا السلسلتين 4000 و5000. وهي قابلة للمعالجة الحرارية، وتتمتع بمقاومة جيدة للتآكل، وخصائص تصنيع وطلاء جيدة، وقوة عالية. تستخدم في أجزاء الطائرات، وأجزاء الكاميرات، والمقرنات، وتجهيزات السفن، والأجهزة، والأجزاء الإلكترونية والموصلات.
ركيزة الألومنيوم LED مقابل ركيزة الألومنيوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور
ركائز الألومنيوم LED مخصصة لصناعة مصابيح LED ولها تطبيقات بالوعات حرارية مدفوعة. فهي توفر توصيلًا حراريًا عاليًا ومقاومة حرارية منخفضة وعمرًا طويلًا ومقاومة للجهد. وسّعت ركائز الألومنيوم LED استخدامات مصابيح LED مثل مصابيح مؤشر الأجهزة، والمصابيح الأمامية للسيارات، وأضواء الشوارع، واللافتات الخارجية الكبيرة.
تعتمد الموصلية الحرارية في ألواح ألومنيوم الدايود المبتعث للضوء إلى حد كبير على العازل الأوسط (غالبًا ما يكون بوليمر موصل حراريًا أو مادة لاصقة حرارية). وتعتبر الموصلية الحرارية والمقاومة الحرارية وتحمل الجهد ثلاثة مقاييس رئيسية للجودة. بعد التصفيح، يتم قياس الموصلية الحرارية باستخدام الأدوات. تتمتع مواد السيراميك والنحاس بموصلية حرارية أعلى، ولكن التكلفة تحد من معظم الأسواق لركائز الألومنيوم. عادةً ما تعني أرقام التوصيل الحراري الأعلى أداءً أفضل.
إن ركيزة الألومنيوم LED هي في الأساس عبارة عن ثنائي الفينيل متعدد الكلور الذي تكون مادته التحتية من سبائك الألومنيوم بدلاً من FR-4 الزجاجية-الإيبوكسي.
تسعير ركيزة الألومنيوم
مع التحسينات في تكنولوجيا الإنتاج والمعدات، أصبحت أسعار ركيزة الألومنيوم أكثر معقولية. لا يقوم الموردون عادةً بإدراج الأسعار علنًا. اتصل بالبائع (على سبيل المثال، Yifang Electronics) للحصول على عرض أسعار محدد.
المهلة الزمنية لركائز الألومنيوم
(أ) ملاحظات تخطيط الطلبات
- المهلة الزمنية: النماذج الأولية 3-5 أيام؛ الإنتاج بالجملة 5-7 أيام.
- متطلبات الجودة: توضيح تفاصيل العميل (الحجم، والسماكة، والمعالجة، والفاتورة، والشحن، والطلبات الخاصة).
- تخطيط التعاون: التأكيد على ما إذا كان سيكون هناك متابعة لطلبات الحجم أو التعاون طويل الأجل.
(ب) طرق تسريع أوقات الانتظار البطيئة
- احتفظ بمخزون من ركائز الألومنيوم الشائعة.
- إضافة مناوبات نهارية وليلية لتسريع الإنتاج.
- التفاوض على مواعيد التسليم المعدلة مع العملاء.
ركائز الألومنيوم عالية التوصيل الحراري والتوصيل الحراري
تُعد الموصلية الحرارية معلمة رئيسية لتبديد الحرارة وأحد مقاييس الجودة الرئيسية الثلاثة (المقاومتان الأخريان هما المقاومة الحرارية وتحمل الجهد). يتم قياس التوصيل الحراري بعد التصفيح. يتمتع السيراميك والنحاس بموصلية أعلى، لكن التكلفة تجعل الألومنيوم هو السائد. الموصلية الحرارية هي معلمة أساسية؛ وعادةً ما تعني القيم الأعلى أداءً أفضل.
تجمع ركائز الألومنيوم بين الخصائص الحرارية والكهربائية وخصائص المعالجة الميكانيكية الجيدة. وتُستخدم على نطاق واسع في تصميمات مصابيح LED وغيرها من التصميمات الإلكترونية. وغالبًا ما يستخدم التصميم الحراري لمصابيح LED محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية والحسابات الحرارية الأساسية، والتي تعتبر مهمة في إنتاج الركائز.
ترجع مقاومة سريان المائع (المقاومة الهيدروليكية) إلى لزوجة المائع والحدود الصلبة. وتشمل مقاومة الاحتكاك على طول مسار السريان والمقاومة الموضعية عند التغيرات المفاجئة (تغيرات مفاجئة في المساحة، الأكواع).
خطوات تصميم مبدد حرارة LED النموذجي:
- تصميم ملف تعريف المبدد الحراري في ظل قيود.
- تحسين سُمك الزعانف وشكل الزعانف وتباعد الزعانف وسُمك الركيزة وفقًا لقواعد تصميم المبدد الحراري.
- تحقق من الحسابات للتأكد من أن أداء التبريد يفي بالأهداف.
تصميم حراري لركائز الألومنيوم
(أ) لماذا يعد التصميم الحراري ضروريًا
تضر درجات الحرارة المرتفعة بالإلكترونيات: يتدهور العزل، وتتعطل المكونات، وتتقادم المواد، وتتشقق وصلات اللحام منخفضة الذوبان، وتتساقط وصلات اللحام.
تأثيرات درجة الحرارة على المكونات:
- يقلل ارتفاع درجة الحرارة من قيمة المقاوم.
- تقصر درجة الحرارة العالية من عمر المكثف.
- تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تدهور عزل المحولات والمختنق؛ درجة الحرارة المسموح بها غالبًا < 95 درجة مئوية.
- تؤدي درجة الحرارة الزائدة إلى تغيير مركبات اللحام البينية المعدنية (IMC)، مما يجعل الوصلات هشة وأضعف.
- يؤدي ارتفاع درجة حرارة الوصلة (Tj) إلى زيادة كسب الترانزستور، مما يزيد من تيار المجمع ويزيد من Tj، مما قد يؤدي إلى حدوث عطل.
(ب) الهدف من التصميم الحراري
الحفاظ على جميع المكونات أقل من درجات الحرارة القصوى المقدرة لها في بيئة العمل المتوقعة. تأتي درجات الحرارة القصوى المسموح بها من تحليل الإجهاد ويجب أن تتطابق مع أهداف موثوقية المنتج ومعدلات الفشل المحددة لكل مكون.
(ج) حلول للمشاكل الحرارية
حرارة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) هي نقطة ضعف رئيسية. يمكن لركائز الألومنيوم، ذات الموصلية الحرارية العالية، سحب الحرارة بفعالية. يجب أن يبقي التصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور قريبًا من قاعدة الألومنيوم ويقلل من المقاومة الحرارية من الوعاء أو المواد المغلفة.
إصلاح وصيانة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الألومنيوم وصيانتها
خطوات الإصلاح النموذجية لفني ثنائي الفينيل متعدد الكلور:
- تحليل الأعطال: تحديد وتضييق نطاق الخلل في اللوحة.
- الفحص البصري: دراسة المدخلات/المخرجات والوظائف ومناطق التحكم.
- اختبار الدائرة: إجراء اختبارات أولية لاستبعاد الأعطال الواسعة وتوجيه الإصلاحات.
- اختبار المكونات: غالبًا ما يتم نزع اللحام عن الأجزاء واختبارها بالمعدات؛ قد يؤدي ذلك إلى إتلاف مظهر اللوحة الخارجي، لذا يتجنب الفنيون الإزالة غير الضرورية.
- إصلاح الأعطال: إصلاح الآثار أو استبدال الأجزاء أو تعديل الدوائر.
- الاختبار الوظيفي: اختبر اللوحة التي تم إصلاحها وقم بإجراء اختبارات النظام بعد اجتياز الفحوصات الكهربائية.
مناولة النفايات لركائز الألومنيوم
تصنع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من الألياف الزجاجية والإيبوكسي والعديد من المركبات المعدنية. يمكن أن يؤدي التخلص غير السليم من ألواح الألومنيوم المستعملة إلى إطلاق مثبطات اللهب المبرومة وغيرها من المواد المسرطنة، مما يسبب تلوثًا شديدًا ومخاطر صحية. وفي الوقت نفسه، فإن ألواح النفايات لها قيمة اقتصادية عالية: يمكن أن يكون المحتوى المعدني أضعاف ما يحتويه الخام الطبيعي. يمكن أن يكون المحتوى المعدني 10-601 تيرابايت 3 تيرابايت، معظمها من النحاس، بالإضافة إلى الذهب والفضة والنيكل والقصدير والرصاص والمعادن النادرة. تبلغ درجات المعادن الخام الطبيعي حوالي 3-5% فقط.
وتشير الدراسات إلى أن طنًا واحدًا من أجزاء الكمبيوتر يمكن أن يحتوي على ما يقرب من 0.9 كجم ذهب، و270 كجم بلاستيك، و128.7 كجم نحاس، و1 كجم حديد، و58.5 كجم رصاص، و39.6 كجم قصدير، و36 كجم نيكل، و19.8 كجم أنتيمون، بالإضافة إلى البلاديوم والبلاتين. وبالتالي تسمى نفايات مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور “مناجم يجب تطويرها”.”
تُظهر التحقيقات أن معظم نفايات مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور وخردة الهياكل يتم إرسالها إلى مناطق نائية لحرقها أو معالجتها بالغسيل المائي، مما يسبب تلوثًا ثانويًا شديدًا:
- ينتج عن الحرق روائح قوية ومركبات مبرومة سامة. وهذا محظور من قبل السلطات البيئية، ولكنه لا يزال يحدث في المناطق النائية.
- الغسل بالماء رخيص وبسيط ويستخدم على نطاق واسع. وينتج عنه كمية كبيرة من المخلفات (غير المعدنية، حوالي 801 تيرابايت 3 طن من وزن اللوح). يصعب التخلص من هذه المخلفات، وتقوم العديد من الشركات بإلقائها كنفايات عامة.
تطبيقات وميزات ركائز الألومنيوم
(أ) ميزات التطبيق
- توصيل حراري ممتاز.
- النحاس أحادي الجانب يعني أنه يمكن وضع المكونات على الجانب النحاسي فقط.
- لا يمكن فتح فتح فتحات الأسلاك مثل اللوحات أحادية الجانب للوصلات.
- تُستخدم عادةً للأجهزة المثبتة على السطح؛ حيث تبدد أجهزة المقوم أو أجهزة الطاقة الحرارة عبر القاعدة، مما يعطي مقاومة حرارية منخفضة وموثوقية عالية.
- يمكن للمحولات استخدام أشكال SMD المسطحة وتبديد الحرارة من خلال القاعدة، مما يعطي ارتفاعًا أقل في درجة الحرارة وإنتاجًا أعلى لنفس الحجم.
(ب) ملاحظات اللحام اليدوي
نظرًا لأن ركائز الألومنيوم توصل الحرارة بشكل جيد، فإن اللحام اليدوي على نطاق صغير يمكن أن يبرد اللحام اليدوي بسرعة كبيرة ويسبب مشاكل. نصائح عملية:
- استخدم مكواة منزلية ذات درجة حرارة قابلة للتعديل. اقلبيها بحيث يكون السطح المسطح متجهاً لأعلى وثبتيها.
- اضبط درجة الحرارة بالقرب من 150 درجة مئوية وقم بتسخين لوح الألمنيوم لفترة قصيرة.
- ثم ضع الأجزاء وألحمها كالمعتاد. استخدم درجة الحرارة التي تجعل اللحام أسهل - قد تؤدي درجة الحرارة المرتفعة للغاية إلى تلف الأجزاء أو إزالة النحاس من القِطع، بينما تعطي درجة الحرارة المنخفضة للغاية وصلات لحام رديئة. اضبط حسب الحاجة.
